FRP对砌体结构抗震加固的研究进展

郭晓云，唐永明，陈 杰

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

0 引言

砌体结构在我国既有建筑物中占据了很大的存量，由于砌体结构主要采用脆性材料砌筑，未采取严格抗震构造措施的砌体结构整体性和抗震性能表现较差。在我国村镇房屋和老旧住宅房屋中，缺少抗震构造措施的砌体结构房屋数量很大[1]，这类房屋制约着我国城乡抗震能力整体水平的提升。我国是地震多发国家，震害调查研究[2-3]显示，地震中此类砌体结构的破坏往往比较严重，是地震中造成经济损失和人员伤亡的重要原因。因此，对现存的老旧砌体结构房屋进行抗震加固对于提高我国房屋的整体抗震能力具有重要意义。

砌体结构传统的抗震加固方法有砂浆面层或板墙加固、外包钢加固、外加圈梁构造柱加固、钢拉杆加固等，这些方法对于加强砌体结构房屋的抗震性能起到了一定的作用，大都有工程应用实例，但是这些加固方法通常具有作业量大、施工周期长、施工复杂等缺点，并且有些加固方法影响房屋的使用空间和使用功能，或对建筑物的外观有较大的影响。使用 FRP(纤维增强复合材料)加固砌体结构可以避免以上加固方法的缺点。FRP 材料具有轻质高强、不影响结构自重及尺寸、占据空间少、施工方便、操作性强等优点，其在结构加固应用中的优势明显。

目前，国内外关于FRP加固砌体结构已开展了广泛的研究和应用，取得了阶段性进展，本文在综合各种FRP材料加固砌体结构试验研究和理论研究的基础上，提出了FRP对砌体结构抗震加固领域有待进一步研究的关键问题。

1 试验研究

加固用的FRP种类主要有CFRP(碳纤维)、GFRP(玻璃纤维)、BFRP(玄武岩纤维)、AFRP(芳纶纤维)等，其中CFRP加固技术的研究比较深入，目前在实际工程中的应用也比较多。从20世纪末开始，国内外对FRP加固砌体结构的各项力学性能指标进行一系列的试验研究，包括FRP加固砌体的抗震性能、平面外弯曲性能、界面粘结性能等。

1.1 抗震性能试验

衡量砌体结构抗震性能的指标主要为砌体墙抗剪承载力、延性、整体性和耗能能力等，针对FRP加固砌体抗震性能方面的效果，很多学者进行了试验研究[4-14]，包括考虑结构整体性的振动台试验，以及针对墙构件的拟静力试验。

1.1.1 振动台试验

FRP 加固砌体结构整体抗震性能的研究主要以砌体结构模型的振动台试验为主，目前开展的相对较少。

张明杰等[5-6]制作了14缩尺比例的两层两开间带构造柱的 CFRP 加固砌体结构模型并进行了振动台试验，研究表明CFRP在墙体开裂后能有效地约束裂缝的进一步发展，提高了结构的整体性；在Ⅶ度大震作用下模型没有发生严重破坏，表明CFRP加固能有效提高砌体结构的变形能力和抗震承载能力。此外，还对用CFRP加固的已开裂砌体结构模型进行振动台试验。研究表明，CFRP布能有效减缓已开裂砌体结构的刚度退化并提高抗震能力；相较无初始开裂的砌体结构，初始裂缝的存在使CFRP布能更有效的发挥其加固效果。

雷真等[7]对一栋缩尺比例为1∶4的三层砌体结构模型进行振动台试验，对比分析预震损和震损后BFRP加固两次试验，结果表明外贴BFRP可明显增强受损砌体结构的整体性，有效提高结构抗震性能，阻止原有裂缝的发展并使加固后的墙片在地震作用下裂缝分布更均匀；BFRP加固法是一种有效的震后砌体结构快速加固方法，试验中以BFRP剥离破坏为主，采取有效锚固措施可延缓剥离现象。

Mohamed等[8]对采用FRP加固的砌体墙进行了振动台试验，对比分析加固和未加固试件的横向强度、横向位移、最大应变、破坏模式，结果表明：FRP加固技术在提高砌体墙的面内强度、刚度和变形性方面是有效的，且FRP片材没有改变试样的基频和初始刚度。

以上振动台试验研究均显示FRP加固后的砌体结构整体性和变形能力有所提高，但多为定性研究，针对不同FRP加固方法有效性的定量研究则多采用拟静力试验。

1.1.2 拟静力试验

FRP加固砌体墙构件抗震性能方面定量的研究，以拟静力试验为主。在砌体墙拟静力试验的基础上，从承载力和变形能力两方面分析不同加固方法对墙体抗震性能的影响。

张祥顺等[9]对CFRP加固和未加固砌体结构模型进行拟静力试验，实验采用逐级加荷法，开裂前按荷载控制，开裂后按位移控制(开裂后每级循环两次)，达到极限荷载后继续按位移控制，直至墙体丧失承载能力。试验结果表明CFRP加固墙体的开裂荷载提高了28.6%，延性系数和耗能系数分别提高了20.4%和59.1%，CFRP能明显改善砌体结构的抗震性能。

王继兵等[10]对无筋砌体墙进行拟静力试验，得到滞回曲线、骨架曲线，并分析加固前后墙体的受力性能、耗能及刚度退化等，结果表明BFRP布加固能显著提升砌体结构的抗震性能，墙体的极限荷载和开裂荷载分别提升了53.9%和224.6%，且具有较好的耗能能力。

叶斌等[11]对采用AFRP加固的四片黏土砖墙在低周往复荷载作用下试验，结果显示加固后的滞回曲线包络面积明显增大，滞回环饱满，墙体的侧移角和延性系数均明显增大，抗震性能显著改善；且AFRP相较CFRP平整度要求较低，施工工艺更简单，可操作性更强。

褚少辉等[12]对BFRP加固的无构造柱砌体墙模型进行了低周反复荷载试验。研究表明，加固后墙体的极限荷载和极限位移均有较大的提升，但随着试件破坏程度增大，加固效果降低，建议实际工程中应及早采取加固措施。

Capozucca等[13]对采用GFRP单侧加固的历史砖墙进行了拟静力试验。研究表明GFRP加固的墙体发生破坏是由于砌体开裂，局部脱粘后GFRP加固失效；随着试验加载的增大，GFRP材料逐渐强化，提高了整体的变形和耗能能力。

Reboul等[14]用空心混凝土砌块砌筑了五道砖墙，分别采用CFRP和GFRP加固并进行拟静力试验。研究表明，五组加固墙体的极限抗剪承载力和延性都有明显的改善，极限承载力提高幅度在128%～267%之间，GFRP能有效延缓破坏的开始，墙体的耗能能力得到了提高。

大量的FRP加固砌体墙拟静力试验研究表明：采用不同类型、不同方法FRP加固后的砌体墙抗剪承载力、延性和耗能能力均有一定程度的提高，但其提高幅度与加固方法密切相关。

1.2 平面外弯曲性能试验

国内外对FRP加固砌体结构的平面内力学性能(强度、刚度等)研究已较成熟，但对平面外承载力的研究较少。目前已有的FRP加固砌体墙平面外力学性能试验研究多为加固后墙体的平面外抗弯承载力研究，将平面外受弯和平面内受剪分开考虑，没有考虑地震作用时弯曲和剪切的相互影响。

王全凤等[15]对采用GFRP加固的带壁柱砖墙进行单调拟静力试验，并研究其平面外受弯性能，结果表明采用GFRP 加固带壁柱砖墙, 可以有效地提高砖墙的抗弯承载能力；且应采用均匀的对称加固，避免墙体裂缝发展不对称所造成的负面影响。

刘骥夫[16]对GFRP加固的实心黏土砖进行试验，采用4点弯曲作为加载方式，试件砌块的类型有两种，一种为沿通缝受弯，另一种为沿齿缝受弯。试验结果表明GFRP加固能有效提高砌体墙平面外受弯承载力以及变形能力，且沿通缝弯曲的试件的平面外受弯承载力提高幅度更大，加固效果更明显；试件的承载力峰值主要取决于砌体材料，并不会随粘贴层数的增加而提升，且GFRP加固对砂浆强度较低的试件荷载峰值提高幅度更大。

陈凡[17]对GFRP加固带壁柱砖墙的平面外抗弯性能进行试验，研究竖向荷载、GFRP布的加固量和砖砌体强度三个因素对加固砖墙平面外抗弯性能的影响，由试验结果分析认为，采用GFRP对带壁柱砖墙进行加固，可以有效地提高砖墙的平面外抗弯能力，即可以提高砖墙的极限承载力，从而提高砖墙的平面外受荷性能；并推导出GFRP加固带壁柱砖墙平面外抗弯极限承载力的理论计算公式。

Tan等[18]分别用CFRP、GFRP、WCR加固了30片砌体墙进行平面外力学性能试验，结果表明加固后砌体墙的平面外强度大幅提升，且给出了加固后墙体受弯的四种破坏模式：砌块冲剪破坏、砌体与FRP片材剥离破坏、弯曲压缩破坏、FRP材料拉断，并指出合适的端部锚固措施可以有效防止FRP过早脱落引起的破坏。

Hamiltotn等[19]采用气囊加载的方式对GFRP加固砖墙进行平面外抗弯试验，对加固后墙体的平面外抗弯承载力、GFRP的剥离以及破坏模式进行了深入的分析；对高墙(高4.7m)和矮墙(高1.8m)分别进行试验，提出了一般抗弯强度设计方程，并讨论了加固率对抗弯强度的影响。

Albert等[20]对高度为4m的10面墙分两个系列进行了13次试验，通过研究FRP的类型、加固层数、粘贴布局形式、轴向压力的影响以及循环加载方式等参数，得出FRP加固能有效提高砌体墙的平面外抗弯承载力；讨论了荷载挠度和应变特性，对失效模式进行了识别和分类：砂浆剥离、弯剪破坏、弯曲破坏；并提出了一个简单的分析模型，把荷载-挠度曲线分为两个阶段：第一阶段是非线性的，代表了砌体材料的刚度贡献；第二阶段是线性的，表示FRP的刚度贡献。

以上研究主要是针对单墙构件的试验研究，砌体墙平面外抗弯能力的提高有利于提高砌体结构的整体性，增强砌体房屋整体抗倒塌能力，综合考虑FRP加固对纵横墙的抗弯和抗剪能力整体提升效果值得进一步研究。

1.3 界面粘结性能试验

FRP材料与砖砌块界面的力学行为是FRP加固砌体结构的关键问题， FRP具有很高的抗拉强度，在实际工程应用中，加固砌体发生破坏往往不是因为FRP被拉断，而是因为FRP与砌体界面的粘结强度不足导致。试验研究大多集中于FRP脱粘的原因、界面粘结破坏模式、影响界面粘结力的因素等方面。

李铁军等[21]对外贴FRP片材加固砌体构件进行试验研究并对结果统计回归分析，两种粘接滑移本构数学模型(Popovics模型和双曲线模型)预测曲线与试验结果均大致相同，表明粘结强度取决于砌体本身的强度；加载至一定范围时，粘结应力峰值无法提升以及粘结长度局部有效，是由粘结面剥离导致。

王全凤等[22]通过对GFRP和砖粘结界面建立界面剥离模型，假设界面分为FRP布、胶层、砖块三层，中间胶层起传递剪力作用；根据试验结果把整个界面剥离的过程分为弹性阶段、弹性-塑性阶段、弹性-塑性-剥离阶段、塑性-剥离阶段，并对不同的阶段建模分析后与单面剪切试验结果进行对比，理论推导公式计算出来的曲线均与试验曲线大致吻合，表明建立的界面剥离模型能很好地演示实际的剥离破坏过程。

刘明等[23]采用搭接接头双剪试验方法研究FRP加固砌体的抗剪粘结强度，试验结果表明界面出现粘结破坏首先是因为砌体自身强度不足引起的剥离破坏，有效粘结长度主要取决于块材与纤维的界面粘结强度，与纤维的类型和砂浆强度关系不大，砂浆强度对GFRP试件拉拔力和纤维应变关系曲线影响较小。

Barbieri等[24]在单层剪切试验的基础上，考虑到不同的材料，研究了CFRP 与砌体之间的脱粘现象。试验结果明确了有效粘结长度和极限载荷的关系：当有效粘结长度低于最小粘结长度时，极限载荷随着粘结长度的增加而增大，极限载荷既取决于断裂能，也取决于界面剪切应力；同时通过有限元模型进行了理论数值计算，通过数值和实验验证了有效粘结长度对极限载荷的影响。

Aiello等[25]在试验的基础上分析了砌体的几何形状、粗糙度、孔隙率对FRP与砌块的粘结性能的影响，认为砌块与FRP材料之间的传力机制类似钢筋混凝土结构，横向FRP条的存在改善了高荷载下的粘结性能。

Roberto[26]对FRP加固的历史砖砌体试件进行了拉推剪切试验，讨论了几种破坏模式并对比分析了数值结果和试验结果，指出砌体的脆性分层破坏是主要的模式，FRP片材与砌体之间发生破坏是因为砖砌块的表层剥离。

Mazzotti[27]在试验的基础上，研究不同表面制备、砖型对粘结强度的影响，比较砖块和砌体试件的粘结行为。结果显示，粘结强度与砖块的力学行为密切相关，砌体试件的粘结强度相对砌块高10%～20%，高质量的表面清理能增加大约90mm的有效粘贴长度。

以上研究均表明FRP加固砌体的破坏形式为FRP材料与砌体的粘结界面破坏，增加有效粘贴长度和加强FRP材料与砌体之间的锚固是提高FRP加固砌体整体强度的有效措施。

2 理论研究

将FRP加固技术广泛地应用到实际工程，需要一套完善的理论计算公式，实际应用需要建立在成熟的理论研究上。另外，由于实验条件有限，很难直接通过试验对相关问题进行深入研究和机理探讨，而有限元数值分析能对试验结果进行补充，有助于进一步研究受力机制。

2.1 抗剪承载力理论分析

国内对FRP加固砌体结构的理论研究多集中于其抗剪承载力的计算方法，工程界普遍认为在FRP粘贴加固砌体结构中，FRP的作用相当于桁架模型中的拉杆[28]。抗剪承载力计算理论主要分两种：

(1)从剪摩理论发展的砖砌体墙与FRP独立工作理论[29]，认为FRP加固砌体抗剪承载力为砌体抗剪承载力与FRP提供的抗剪承载力之和。此理论模型认为构件发生剪压破坏，斜裂缝完全穿过FRP且穿过位置FRP应变相同，不考虑FRP的受压作用，仅考虑其受拉作用。即

Pwf=Pum+Puf

(1)

式中，Pwf为FRP加固砌体抗剪承载力；Pum为砌体抗剪承载力；Puf为FRP提供的抗剪承载力。

(2)由主拉应力理论发展的砖砌体与FRP共同协调工作理论[30-31]，主要是针对粘贴竖向和斜向FRP的砌体结构抗剪计算；由于FRP的应力分布极不均匀，并不满足假设条件，只适用于加载至砌体开裂阶段。

樊越[32]在试验研究的基础上，指出了此两种理论的不足并提出了3点补充：确定CFRP应力大小；针对砌体破坏形态验算；针对砌体剪压相关性验算。

2.2 有限元数值分析

砌体结构采用有限元建模的关键在于，如何考虑砂浆和砌块的关系，一般有两种处理方法[33]：

(1)整体考虑，把砌块和砂浆作为一个整体，忽略两者性质的不同，均质化处理后建立模型，这样的好处是建模简单，计算效率高。但计算结果与实际结果有差距，无法精确模拟受力特性等，不能得到准确的结果。

(2)分开考虑，将砌块和砂浆分不同单元考虑，认为砌块是一种弹性块材嵌入非弹性的砂浆，建模时需调整块材和砂浆之间的接触关系，建立墙体的离散型模型。此法能较准确的研究FRP加固的效果，但精确度提升的同时也导致计算量骤增，有限元模型更复杂。

原胜利[33]将块体和砂浆分不同单元考虑，用ANSYS对CFRP加固砌体结构墙体进行模拟分析，用零厚度接触单元模拟砂浆，砖块采用Plane42单元，CFRP采用多层壳单元Shell81、膜单元Shell41，建立离散型墙体模型。通过数值模拟得到的极限抗剪荷载值与试验所得到的值非常接近。

左宏亮等[34]用ANSYS把砌块和砂浆作为整体考虑建立有限元模型，对墙体和砌块的应力分别进行分析，研究5种不同的粘贴方式对加固后墙体的抗剪承载力的影响。试验得到的抗剪承载力与数值模拟的值非常接近。

李维娜[35]对开窗洞墙体进行试验，利用ANSYS对试件建模，砂浆用厚度为零的接触单元建模，砌块为Plane42单元，CFRP用Shell41膜单元建模，对碳纤维加固片材进行受力分析和应力分析并将试验结果与ANSYS有限元理论分析结果对比。发现有限元计算的结果与试验结果吻合度较高，提出加固后砌体抗剪承载力的简化理论计算公式，指出这种分析方法是可靠、可行的。

杨丹萍[36]用ABAQUS采用整体式建模方法，对9片无筋砌体墙进行模拟，通过与试验数值进行对比，研究加固方式、螺栓锚固等对BFRP加固砌体墙的抗震性能的影响；9组骨架曲线的试验值和模拟值吻合良好。并整合各规范提出了螺栓与BFRP共同加固后砌体墙的抗剪承载力公式，公式所得结果与模拟结果吻合较好。

陈莹等[37]用ANSYS7.0对GFRP和砖粘结界面进行非线性有限元分析，用Solid65单元对砖进行模拟，用Shell41单元对GFRP进行模拟，采用接触单元法对GFRP与砖进行连接，研究粘结长度、粘结宽度与极限粘结荷载的关系。粘结长度超过有效长度后，极限粘结荷载增长缓慢；而粘结宽度增加，极限粘结荷载明显提高。数值模拟得到的结果与试验现象较吻合。

国内外学者对FRP加固砌体技术做了一系列理论研究，通过试验数据提出了一些经验公式，但是还没有形成一套完整、系统的理论计算方法。对于有限元数值分析，大都是对单片加固墙进行整体式建模，再利用单片墙的试验数据来调整墙体模型的本构关系，用调整后的本构关系建立大型砌体结构的模型，这种方法计算效率高，但缺乏对实际砂浆与砖块、各构件之间的相互作用和结构整体性的考虑，与实际结果会有差距。

3 研究展望

FRP加固能有效提高砌体结构的延性和极限承载力，延缓破坏的发展。FRP加固墙体的平面外性能的研究不够成熟，地震下砌体结构的传力机制非常复杂，大部分试验仅单独考虑墙体平面外受弯，对于弯剪相互作用的认知不太深入。FRP加固墙体的破坏均是由于FRP与墙体之间脱粘导致，FRP材料的高抗拉强度等特性没有充分发挥，造成了材料性能浪费，不符合实际工程的性价比最优原则；且国内外学者对于界面破坏模式的机理认知有所欠缺，对于FRP加固砌体墙的锚固措施和粘贴形式还有待进一步研究。

从目前的研究和应用情况来看，FRP加固砌体结构技术已取得了很大的进展。FRP加固技术能在不增加砌体结构自重的情况下，有效提高砌体结构的抗弯、抗剪承载能力，提高房屋整体性和抗震性能，但FRP加固也存在长期耐高温性能差、粘结性能有待提高、老化现象和表面易破损等不足。

综上所述，认为FRP加固砌体结构有以下几个方面有待进一步研究：

(1)FRP加固砌体结构的抗火性能。FRP是纤维布材和树脂基材的复合材料，抗火、长期抗高温性能较差；用于粘结的环氧树脂胶的工作温度一般在-50℃至+150℃，火灾中会很快玻璃化转变、丧失粘结能力，导致加固失效。如何采取措施来增强FRP加固技术的抗火性能有待进一步研究。

(2)预应力FRP的研究。预应力的方法能充分发挥纤维材料的高抗拉强度，更经济、更有效的实现加固效果，但目前对这方面的研究不完善。

(3)更有效的锚固措施和粘结形式。试验证明FRP加固后的结构破坏大都是界面剥离，而施加锚固措施能增强界面的粘结力，且不同粘结形式的加固效果也有差异，在进一步认清界面剥离机理的基础上，有待探究更优的锚固措施和粘贴形式。

从经济性角度来看，FRP加固砌体往往是因为FRP的剥离破坏或砌体墙自身剪切破坏，而非FRP材料的受拉破坏；另外，加固FRP材料需有良好的延伸率才更有效提高加固砌体的抗震耗能能力，GFRP的延伸率大约是CFRP的两倍，且GFRP的价格相对CFRP低的多。因此，综合考虑材料的工作机理、利用率、延伸率以及造价等因素，使用GFRP加固砌体结构性价比更高。